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编者案：祝贺彭练矛-张志勇课题组在Science上发表5纳米碳纳米管CMOS器件结果，将晶体管性能推至理论极限。
集成电路发展的基本方法在于晶体管的尺寸缩减，从而性能和集成度，获得更快功能更复杂的芯片。如今主流CMOS技术马上发展到10纳米技术节点，后续发展将遭到来自物理规律和制作本钱的限制，很难持续提高，“摩尔定律”也许面对终结。
20多年来，科学界和产业界一直在摸索各类新材料和新原理的晶体管技术，以望替换硅基CMOS技术。然而到如今为止，并没有机构能够完成10纳米的新型CMOS器件，而且也没有新型器件能够在性能上真正超出最好的硅基CMOS器件。
碳纳米管被以为是构建亚10纳米晶体管的理想材料，其原子量级的管径保障了器件具有优良的栅极静电控制能力，更简单战胜短沟道效应；超高的载流子迁移率则保障器件具有更高的性能和更低的功耗。
理论研究表示碳管器件有关于硅基器件来讲具有5-10倍的速度和功耗优势，有希望满足后摩尔时期集成电路的发展需求。然罢了完成的最小碳纳米管CMOS器件仅停止在20nm栅长（2014年 IBM），而且性能远远低于预期。
北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究，发展了一整高性能碳纳米管CMOS晶体管的无搀杂制备办法，通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。
彭练矛教授（左）和张志勇教授（右）
5nm技术节点完成冲破
最近几年来，该课题组通过优化器件构造和制备工艺，初次完成了栅长为10纳米的碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管（对应于5纳米技术节点），p型和n型器件的亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）均为70 mV/DEC。
器件性能不只远远超出已发表的一切碳纳米管器件，而且更低的工作电压（0.4V）下， p型和n型晶体管性能均超出了如今最好的（Intel公司的14纳米节点）硅基CMOS器件在0.7V电压下工作的性能。特别碳管CMOS晶体管本征门延时达到了0.062ps，相当于14纳米硅基CMOS器件（0.22ps）的1/3。
图 1：10纳米栅长碳纳米管CMOS器件。A： n型和p型器件截面图和栅堆垛层截面图；B-C: p型和n型碳管器件的转移曲线和与硅基CMOS器件（Intel, 14nm, 22nm）的比较。D:碳管器件的本征门延时与14nm硅基CMOS比较。
课题组进一步摸索5nm栅长（对应3纳米技术节点）的碳管晶体管。采取惯例构造制备的栅长为5纳米的碳管晶体管简单遭遇短沟道效应和源漏直接隧穿电流影响，即便采取超薄的高k栅介质（等效氧化层厚度0.8纳米），器件也不能够有用地关断，SS普通大于100mV/Dec。课题组采取石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触，有用地克制了短沟道效应和源漏直接隧穿，从而制备出了5纳米栅长的高性能碳纳米管晶体管，器件亚阈值摆幅达到73mV/Dec。
图2：5纳米栅长碳管晶体管。A：采取金属接触的碳管晶体管截面TEM图，和采取石墨烯作为接触的碳管晶体管SEM图；B:石墨烯作为接触的碳管晶体管表示图；C：栅长为5纳米的碳管晶体管的转移曲线。
性能遥遥抢先传统硅器件
在此基础上，课题组整体比较了碳纳米管CMOS器件的优势和性能潜力。研究表示，与一样栅长的硅基CMOS器件对比，碳纳米管CMOS器件具有10倍左右的速度和动态功耗（能耗延时积， EDP）综合优势，和更好的可缩减性。
对试验数据分析表示，5纳米栅长的碳管器件开关转换唯一约1个电子参加，而且门延时达到了42fs，特别接近二进制电子开关器件的极限（40fs），该极限由海森堡测禁绝原理和香农-冯诺依曼-郎道尔定律（SNL）决定。表示5纳米栅长的碳纳米管晶体管已经接近电子开关的物理极限。
图3： 碳纳米管CMOS器件与传统半导体器件的比较。A： 基于碳管阵列的场效应晶体管构造表示图；B-D：碳管CMOS器件（蓝色、红色和橄榄色的星号）与传统材料晶体管的亚阈值摆幅（SS），本征门延时和能量延时积的比较。
课题组研究了接触尺寸缩减对器件性能的影响，摸索了器件整体尺寸的缩减。将碳管器件的接触电极长度缩减到25纳米，在保障器件性能的条件下，完成了整体尺寸为60纳米的碳纳米管晶体管，而且成果演示了整体长度为240纳米的碳管CMOS反相器，这是如今完成的最小纳米反相器电路。
该工作2017年1月20日在线发表在美国科学增进会的旗舰期刊《科学》（Science）上，DOI: 10.1126/science.aaj1628。链接长按下方二维码拜访：
北京大学信息科学技术学院博士后邱晨曦是第一作者，张志勇教授和彭练矛教授为共统统讯作者。
北京大学信息科学技术学院博士后邱晨曦
该成果的重要意义
这是中国初次掌控了世界上最先进的晶体管技术，假如能加以推行，将会成为将来最先进的芯片制作技术。这类新技术的出现，使得国内半导体制作初次有机遇引领世界抢先水平。
硅基技术马上发展到尽头，传统芯片的性价比提高空间特别小。Intel, 三星，TSMC三大巨头，特别是Intel一直在寻觅新一代半导体器件技术，然而新的技术在原有硅基技术上提高特别有限。我们的掌控的碳管技术与最先进的硅基技术对比性能上六代以上的优势，约20年的发展。 所以，假如碳基技术完成产业化，将有也许完全转变半导体制作行业的格式，Intel，三星和台积电的优势不复存在，而我国会拥有最先进的芯片技术。
研究成果表示在10纳米以下技术节点，碳纳米管CMOS器件有关于硅基CMOS器件具有显著优势，且有希望达到由测禁绝原理和热力学决定的二进制电子开关的性能极限。
该项研究获得国家重点研发筹划、国家自然科学基金委员会优良青年基金、创新群体和面上项目赞助，同时也获得北京市科学技术委员会等单位的赞助。
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